Температурная компенсация системы баланс — спираль была проблемой несравненно более сложной и трудно разрешимой, чем компенсация маятника. Это обусловливалось тем, что в системе баланс — спираль под действием температуры изменяются не только геометрические размеры баланса и пружины, но и величина противодействующей силы, т. е. изменяется упругость пружины. Она слабеет при повышении температуры и становится более упругой при понижении ее. В случае маятника вопрос компенсации сводится лишь к со хранению геометрических размеров маятника, так как величина противодействующей силы g остается постоянной для данного места земной поверхности.

После введения в часах балансовой пружины прошло немало времени, пока наконец была понята сущность изменения упругих свойств спирали, связанных с температурными изменениями, и оценено их действительное значение для хронометрии. Даже такой выдающийся ученый, как Даниил Бернулли, еще сомневался в действительном влиянии температурных изменений на упругие свойства спиральной пружины, а следовательно и на ход часов. Джон Арнольд, со своей стороны, утверждал, что свойства предложенных им геликоидальных пружин не зависят от температуры. Эти утверждения, как случайные и необоснованные, легко были опровергнуты, однако точный характер влияния температурных изменений и в связи с этим упругих свойств спирали на ход часов оставался неизвестным. Не было надлежащего ответа и на вопрос, происходит ли в связи с этим опережение или замедление хода часов и по какому закону оно происходит в зависимости от изменения упругих свойств спирали.

Для решения этого вопроса был произведен ряд экспериментов. В 1840 г. Э. Д. Дент проводил опытные исследования над некомпенсированными хронометрами с балансом из стекла и со стальными спиралями из закаленной и отпущенной стали. Он испытывал хронометры при различных температурах в диапазоне от 32 до 100° (по Фаренгейту) и установил, что момент упру гости спиральной пружины изменяется прямо пропорционально изменению температуры.

Сходные эксперименты произведены были и в Гринвичской обсерватории Георгом Эри в 1859 г. над двумя хронометрами; один из них был изготовлен фирмой Молине (№ 1574), другой — фирмой Фродшам (№ 3148). Хронометры были снабжены геликоидальными пружинами из закаленной и отпущен ной стали и латунными некомпенсированными балансами. Аналогичные эксперименты были тогда же поставлены во Франции Деламаршем и Плуа над хронометрами Бреге. Результаты их исследований изложены в специальной статье.

Хотя все три эксперимента производились независимо друг от друга, результаты были получены одинаковые: суточный ход часов изменяется прямо пропорционально изменению температуры.

В 1859 г. Эри опытным путем показал, что хронометр с обыкновенным латунным монометаллическим балансом (без компенсации) отстает на 11с при каждом повышении температуры на 1° и соответственно уходит вперед при понижении температуры. Изменение момента сил упругости спирали оказывает на ход часов наибольшее влияние (8,92 с из 11с). Отсюда возникла мысль сконструировать систему баланс — спираль таким образом, чтобы при повышении температуры момент инерции баланса уменьшался одновременно с уменьшением упругой силы спирали и по законам, находящимся в определенной и однозначной связи. Компенсацией, по справедливому мнению Ф. Бер ту, и является «такое положение вещей, при котором два порока одной и той же машины противопоставлены друг другу и взаимно друг друга уничтожают, благодаря чему получается усовершенствование машины». Тогда в при веденной выше формуле числитель и знаменатель подкоренного выражения изменяются в равной мере и дробь, а следовательно и период, останется без изменения.

Нам уже известно, что ранняя история температурной компенсации системы баланс — спираль представлена двумя основными конструкциями. Одна из них выполнена в виде биметаллического градусника, изобретенного Джо ном Гаррисоном в 1758 г., а другая — в виде разрезанного биметаллического баланса, впервые изобретенного в 1761 г. Пьером Леруа. Берту в своих ран них конструкциях часов применил первый вид компенсационного устройства, а в поздних — второй вид. Прочные основы для применения в часах и хронометрах биметаллического разрезного баланса вместо биметаллического градусника были заложены Джоном Арнольдом и Томасом Ирншау. Последний внес значительные усовершенствования в изготовление биметаллического раз резного баланса, научившись сваривать вместе стальную и латунную части обода. С этого времени (1785 г.) его конструкция стала уже соответствовать всем основным требованиям, которые предъявляются к ней и в настоящее время.

Со времени Ирншау принцип биметаллической компенсации приобретает безраздельное господство. Балансы стали изготовляться с биметаллическим ободом, с разрезом либо у перекладины, либо посередине. Этот принцип оставался до тех пор, пока прогресс в металлургии в создании новых сплавов металлов не открыл возможности искать компенсацию внутри молекулярной структуры новых сплавов. Речь идет о применении для этой цели инвара и элинвара — сплавов, изобретенных Гильомом. Все попытки, имевшиеся до Гильома, ввести иной принцип, чем принцип биметаллического разрезного баланса, оказались безуспешными.

Если ход хронометра, снабженного компенсационным устройством, отрегулировать для двух данных температур, то эта регулировка не является действительной для других температур. Опыт показывает, что в интервале между двумя заданными температурами хронометр уходит вперед, и при вся кой температуре, выходящей за пределы двух заданных температур, хронометр отстает. Например, ход хронометра, отрегулированный при 0 и 30°, остается постоянным только при наличии этих температур, называемых темпера турами компенсаций. При других температурах, лежащих Между данными температурами, например при 15°, хронометр или часы идут с опережением по крайней мере на 2 с. Если регулировку хода хронометра осуществить при температурах компенсации 0 и 15°, то при 30° он отстанет по крайней мере на 4 с. Существование такой погрешности хода хронометров с компенсацией на температуру было впервые открыто в 1832 г. выдающимся английским часовщиком Эдуардом Джоном Дентом. Эти погрешности получили на звание «аномалии Дента», или «вторичной ошибки» компенсации.

В брошюре «Об ошибках хронометров», опубликованной Дентом в 1842 г., сущность этой погрешности формулируется следующим образом: «…если хронометр, построенный по обычному принципу, отрегулировать для какой-либо средней температуры, то он будет отставать при крайних температурах, и наоборот, если он отрегулирован для край них температур, то он будет идти вперед при средней температуре».

Причиной возникновения вторичной ошибки является неодинаковый закон изменения момента спиральной пружины. Вторичная погрешность лишь тогда будет сведена к нулю, когда кривая падения статического момента пружины станет зеркальным отображением кривой падения момента инерции баланса. Для этого требуется, чтобы момент инерции уменьшался с возрастанием температуры быстрее, чем по линейному закону.

Рис. 222. Интегральный баланс Гилъома (типа Леруа)

Для устранения вторичной ошибки от компенсации было предложено большое число конструкций балансов с добавочной, или вторичной (вспомогательной) , компенсацией.

Вопрос о теоретических основах температурной компенсации рассмотрен в нашей статье.

Применение устройств для вторичной компенсации не привело к желательным результатам. Наличие подобного устройства в механизме часов вызывало появление новых погрешностей хода из-за того, что увеличивалась де формация обода под действием центробежной силы и происходило увеличение трения о воздух или давления воздуха на ход часов. Вследствие этого в русском флоте приказом по Морскому министерству совершенно не допускались к употреблению хронометры, имеющие вторичную компенсацию, и все они переделывались с целью устранения таких компенсационных устройств.

Совершенно новый подход к проблеме компенсации стал возможен после того, как Шарль Гильом открыл возможность использования ферроникелевых сталей для хронометров. Изучая ферроникелевые сплавы, он в 1899 г. открыл инвар (35,7% никеля, 64,3% железа), имеющий практически нулевой коэффициент линейного расширения. Это позволило перейти к изготовлению балансов типа Леруа с разрезом каждой половины обода посередине (рис. 222). Каждая половина обо да прикреплена к перекладине строго своей серединой, благодаря чему образуются четыре плеча с четырьмя грузами вместо двух плеч обыкновенного компенсационного баланса, от которого он, кроме того, отличается применением нового металла. В ранее применявшейся паре латунь — сталь вторая компонента была при этом заменена инваром, вследствие чего падение кривой момента инерции баланса стало происходить в соответствии с падением статического момента спиральной пружины. Такие балансы называются интегральными, так как они осуществляют полную компенсацию по грешностей от действия изменения температуры. С этого времени компенсация перестала делиться на главную и вспомогательную (вторичную) . Благодаря своему совершенству интегральные балансы вытеснили в морских хронометрах все другие системы балансов — громоздкие сложные и ненадежные в отношении обеспечения вторичной компенсации.

Шарль Эдуард Гильом

Наблюдения над ходом хронометров с балансом без вторичной компенсации и с интегральным балансом Гильома, произведенные в Невшательской обсерватории, показали, что в первом случае погрешность хода чаще всего составляла 2,2 с (с опережением), тогда как во втором случае она непревышала 0,25 с опережения. Баланс Гильома, следовательно, уменьшил вторичную ошибку на 90%. Кроме того, он обладает большей устойчивостью, чем баланс сталь — латунь. Но при применении баланса Гильома погрешность хода все же не могла быть окончательно устранена.

Гильом на этом не остановился. Он искал разрешения проблемы компенсации посредством применения особой самокомпенсирующейся спирали и монометаллического неразрезного баланса. Первый, кто указал на эту возможность, был Поль Перри — швейцарский часовщик из Ла-Шо-де-Фоне. Около 1895 г. он изобрел специальный ферроникелевый сплав и нашел, что если соединить латунный монометаллический баланс со спиральной пружиной, изготовленной из сплава с содержанием 72% стали и 28% никеля или же с со держанием никеля от 43,5 до 44%, но с балансом, мало подверженным действию температуры, то может быть достигнута весьма удовлетворительная самокомпенсация системы баланс — спираль. За свое изобретение Перри по лучил патент во многих странах (немецкий патент за № 98544). В России привилегия на это изобретение была выдана только в 1900 г.

Для изготовления спиралей из сплава, изобретенного Перри, был организован в г. Флерье (Невшательский кантон) одной акционерной компанией специальный завод. Однако эти спирали имели крупные недостатки (большая вторичная ошибка, значительное внутреннее трение в материале спирали и др.), вследствие чего свободные колебания баланса быстро затухали. Такие спирали были трудны в изготовлении, так как незначительные изменения в пропорции сплавов влекли за собой изменения термоэластического коэффициента. Поэтому изобретение Гильомом в 1910 г. сплава элинвар (ферроникель с добавлением углерода, хрома и вольфрама), упругие свойства которого не зависят от изменения температуры, явилось весьма важным и своевременным. Применение спирали из этого сплава в часах массового производства позволило перейти к монометаллическому балансу и подвергнуть коренной реконструкции биметаллический баланс.

Но до настоящего времени не удается получить элинвар с неизменными термоэластическими коэффициентами, поэтому сохранилась необходимость в доводке компенсации до требуемого значения температурного коэффициента. Но при монометаллическом балансе такая возможность исключена, поэтому возникает потребность в балансе особой компенсации, позволяющей регулировать его компенсационное свойство.

Выдающийся швейцарский часовщик П. Детисгейм предложил для элинварной спирали баланс монометаллический и не разрезной, но для возможности регулирования все же снабдил его парой коротких металлических пластинок, назначение которых заключается в устранении возможных ошибок в ходе регулировки. Описание этого баланса П. Детисгейм опубликовал в 1921 г. в швейцарском часовом журнале «Спираль элинвар и баланс хронометра с компенсационным аффиксом».

Баланс Детисгейма (рис. 223) состоит из сплошного кольца; по его окружности имеются два выреза, в которых маленькими винтиками укреплены би металлические дуги, служащие для корректировки температурной компенсации, достигаемой за счет элинвара. Регулировку компенсации системы баланс— спираль осуществляют перемещением винтов-грузиков вдоль биметаллических дуг, изменением числа этих винтов и сменой более легких винтов на тяжелые. В конструкции баланса Детисгейма отсутствуют части, выступающие над поверхностью обода (биметаллические дуги расположены во впадине, головки винтов для регулировки центра тяжести не выступают над поверхностью обода). Этим устранено влияние центробежной силы, устранено, насколько возможно, трение о воздух и т. д. Недостатком этого баланса является чувствительность к магнетизму, что ограничивает возможности его применения. Баланс Детисгейма не получил большого распространения и использовался лишь в хронометрах фирмы самого изобретателя.

Другим направлением разрешения проблемы регулировки хода хронометра с монометаллическим балансом является создание дифференциального баланса. Он был изобретен Ш. Воле еще в 1910 г., но не мог иметь практического значения, пока не появились ферроникелевые сплавы более высокого качества, чем элинвар. Обод дифференциального баланса Воле (рис. 224) сплошной, неразрезной, что очень выгодно для уменьшения действия центробежной силы. Отличительной чертой этого баланса является также то, что его обод из одного металла с разными коэффициентами линейного расширения. Компенсационная способность баланса зависит в основном от разности коэффициентов линейного расширения обода и перекладины; она составляет 20x 10-6 мм.

Рис. 223. Баланс Детисгейма
1 — обод; 2 — перекладина; 3 — винты обода; 4 — регулировочные винты; 5 — дополни тельные биметаллические дуги; 6 — линия спая дуг; 7 — винты крепления; 8 — компенсационные винты; 9 — свободные отверстия

Рис. 224. Дифференциальный баланс Воле
1 — обод; 2 — перекладина; 3 — компенсационные винты; 4 — ось; 5 — двойной ролик;
6 — эллипс; 7 — свободные отверстия

Однако получить таким методом удовлетворительные результаты компен сации долго не удавалось. Это стало возможным лишь после того, как в 1928 г. швейцарский ученый Р. Штрауман нашел особым образом обработанные материалы для увеличения разности коэффициентов линейного расширения обода и перекладины, что и обеспечило практическое применение дифференциального баланса.

В 1941 г. Вильям О. Беннет (США) получил на дифференциальный баланс патент. Этот баланс, как и баланс Воле, имел перекладину и обод из разных металлов. Баланс соединен с волоском особого сплава. Во время второй мировой войны 1939—1945 гг. адмиралтейство США заказало фирме «Га мильтон» несколько тысяч хронометров с дифференциальным балансом. Заказ был выполнен.

Хронометр фирмы «Гамильтон» изготовлен из следующих сплавов: обод — хромоникелевая сталь (хром 18,56%, никель 9,65%, марганец 0,36%); перекладина— никелевая сталь (никель 68,8%, марганец 0,23%). Этот баланс в сочетании со спиралью из сплава (никель 43,4%, титан 1,6+6%, хром 5,49%, марганец 0,65%) обладает хорошими компенсационными свойствами.